旋转倒立摆的起摆与稳摆研究与实现.pdf

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1、旋转倒立摆的起摆与稳摆研究与实现姜香菊，等ResearchandImpIementationoftheSwing—upandStabiIizingOperationfOrROtatiOnaIInvertedPenduIum善番菊1纠二林2(兰州交通大学自动化学院1，甘肃兰州730070；兰州交通大学机电学院2，甘肃兰州730070)摘要：针对倒立摆系统的起摆与稳摆问题，利用bgrange方程建立了单摆与倒立摆的完整数学模型。采用正反馈控制算法进行单摆的起摆控制，采用双PID算法进行倒立摆的稳摆控制。设计了基于

2、摆杆角度和角速度的两种能量控制切换模式，并进行了仿真验证和实物验证。仿真和实际运行结果表明，所设计的针对角速度的正反馈控制器起摆速度更快，所提出的两种切换模式可以使控制更稳定。关键词：正反馈控制器双PID旋转倒立摆单摆起摆稳摆动力学分析IJagmnge方程中图分类号：7Ⅲ一3；皿13文献标志码：ADOI：lO．16086／j．cnki．issn1000—0380．201609002Ab!；tlmct：InordertosolVetIleswing—upaIldstabilizingissuesf出tIlein

3、vertedpendIdum，t11ecompletem8tIlematicalmodelsforsimpkpendulumaIldinVertedpendlllumarebuilIbasedonIJa铲aIlgeeqIlation．nepositivefeedbackcontrolalgorithmisusedf打contmUingswing—upofIhesimplependulum，andtIledual—PIDalgo珊lmisusedtocon们lstabilizingopemtionof山einv

4、ertedpendulum．rrIleenergycon州switchingoVerbased0narIgIeofswinglinks明daJlgul8rvelocityisdesigned。andtIlesimlllationverificationaJldphysicalverificationareconducted．TheresIlltsofemulatedandphysicaloperationshowtIIatthepositiVefeedb8ckcontI_ouerdesignedforangI

5、llarvelocitymakesfbterswing—upIThepmposedtwokindsofswitchjngmode眦kemorest8bleconⅡ_01．Keywords：PositiVefeedbackcontroUerDualPIDRotationalinVenedpendulumSimplependIllumSwingupStabilizingpendIllumDynarIlicsanalysisLa鲫geequation0引言倒立摆系统是一个不稳定、多变量、强耦合的欠驱动非线性机械系统

6、，可以作为典型的控制对象进行研究。倒立摆的种类很多，有直线倒立摆、旋转倒立摆等。旋转倒立摆受力分析较其他倒立摆复杂，具有不稳定性及非线性，对控制算法有更高的要求‘1一引。本文采用直流电机、减速机构、微控制器、电机驱动芯片和l024线小型位置式编码器等，设计了一个一级旋转倒立摆；同时，利用La野arIge方程对系统进行了动力学分析，建立了单摆和倒立摆的数学模型，设计了起摆和稳摆控制器。将设计的控制器移植到微控芯片中进行实际测试，结果表明，设计的系统机械结构合理、响应速度快、鲁棒性好旧。“。甘肃省高等学校科研基金

7、资助项目(编号：2014一A—041)。修改稿收到日期：2016一02一17。第一作者姜香菊(1979一)，女，2003年毕业于兰州交通大学自动控制专业．获硕士学位，副教授；主要从事计算机控制及传感器技术等方向的研究。1旋转倒立摆基本结构倒立摆简化模型如图l所示阻5。。摆杆图l倒立摆简化模型F培．1Simplifiedmodeloftlleinvertedpendulum旋转倒立摆主要由微控制器芯片、支撑机架、摆杆、旋臂、小型直流电机、减速器、1024线位置式编码器和H桥电路(B，17960)组成。旋转倒立摆

8、的旋臂与减速器的旋转轴连接，直流电机驱动减速器输出动力，将高速低扭矩旋转转换为低速高扭矩旋转；位置式编码器l的齿轮与减速器输6PROCESSAUTOMAlrION州STRIm诬N，rAlloNVoL37No．9september加16旋转倒立摆的起摆与稳摆研究与实现姜香菊。等出轴的齿轮啮合，用来检测旋转臂转过的角度，为旋臂位置PID控制提供实时数据；位置式编码器2安装在旋转臂末端，并通过转轴与摆杆连